論文の概要: Structure-Aware Placement and Routing of Multi-Controlled Toffoli on Bivariate Bicycle Code Architectures
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.00852v1
- Date: Tue, 01 Sep 2026 07:47:42 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-02 16:31:36.441017
- Title: Structure-Aware Placement and Routing of Multi-Controlled Toffoli on Bivariate Bicycle Code Architectures
- Title（参考訳）: ビバリエート型自転車コードアーキテクチャにおけるトフォリの配置と配置
- Authors: Anik Basu Bhaumik, Suman Dutta, Siyi Wang, Anupam Chattopadhyay,
- Abstract要約: 我々は,MCT分解のバイナリツリー構造を利用して,相互作用するサブツリーを共配置するターゲット配置戦略を導入する。
また、異なるトポロジ間のファクトリ配置の影響を評価し、グリッドベースのレイアウトがモジュール間の命令を最大$mathbf23.7%削減することを示した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.023860258848104
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: The multi-controlled Toffoli (MCT) gate is a fundamental primitive in quantum circuit design, with applications in quantum arithmetic, cryptanalysis, and algorithmic implementations. Being a high-level logical operation, the efficient decomposition of MCT gates into lower-level netlists has remained a major optimization challenge for decades. While emerging quantum error-correcting codes such as bivariate bicycle (BB) codes drastically reduce fault-tolerance overhead, realizing non-Clifford circuits on modular BB-code architectures introduces complex compilation bottlenecks governed by inter-module routing, factory density, and layout. Consequently, the mapping of MCT gates onto BB-code architectures remains relatively unexplored. In this paper, we overcome these challenges by mapping optimal-Toffoli-depth MCT decompositions (Dutta et al., PRA, 2025) onto BB-code-based fault-tolerant architectures via direct $\lvert \mathrm{CCZ} \rangle$ state injection from an external magic state factory. We introduce a targeted placement strategy that exploits the binary-tree structure of MCT decompositions to co-locate interacting subtrees. This approach reduces inter-module instruction counts by up to $\mathbf{16.02}\%$ compared to a naive sequential first-fit placement. We also evaluate the impact of factory placement across different topologies, demonstrating that grid-based layouts yield up to a $\mathbf{23.7}\%$ reduction in inter-module instructions relative to linear architectures (Yoder et al., arXiv, 2025). Finally, we validate the practical viability of our compiled circuits by analyzing aggregate execution errors and logical failure probabilities using the bicycle-ISA error estimator bicycle_numerics provided by the Qiskit community, https://github.com/qiskit-community/bicycle-architecture-compiler.
- Abstract（参考訳）: マルチコントロールトフォリゲート (MCT) は量子回路設計において基本的なプリミティブであり、量子演算、暗号解析、アルゴリズムの実装に応用されている。
高レベルの論理演算であるため、MDTゲートを低レベルのネットリストに効率的に分解することは、数十年にわたり大きな最適化課題であり続けている。
Bivariate bike (BB) 符号のような量子エラー訂正符号が出現すると、フォールトトレランスのオーバーヘッドが大幅に減少する一方、モジュール間のルーティング、ファクトリ密度、レイアウトによって制御される複雑なコンパイルボトルネックが生じる。
したがって、MBTゲートをBB符号アーキテクチャにマッピングすることは、いまだに未解明のままである。
本稿では,最適トフォリ深部CT分解(Dutta et al , PRA, 2025)を直接$\lvert \mathrm{CCZ} \rangle$外部マジックステートファクトリからの状態注入によりBBコードベースのフォールトトレラントアーキテクチャにマッピングすることで,これらの課題を克服する。
我々は,MCT分解のバイナリツリー構造を利用して,相互作用するサブツリーを共配置するターゲット配置戦略を導入する。
このアプローチは、単純でシーケンシャルなファーストフィット配置に比べて、モジュール間の命令数を$\mathbf{16.02}\%$まで削減する。
また、異なるトポロジにおける工場配置の影響を評価し、グリッドベースのレイアウトが線形アーキテクチャ(Yoder et al , arXiv, 2025)に対するモジュール間命令を最大$\mathbf{23.7}\%削減することを示した。
最後に,Qiskit コミュニティが提供する https://github.com/qiskit-community/bicycle-architecture-compiler を用いて,回路の集合的実行誤差と論理的故障確率を解析し,回路の実用性を検証する。
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